通信原理-第4章

1、通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院一、信道基本概念一、信道基本概念 信道分類信道分類無(wú)線信道無(wú)線信道 電磁波（含光波）電磁波（含光波）有線信道有線信道 電線、光纖電線、光纖 信道中的干擾信道中的干擾有源干擾有源干擾 噪聲噪聲無(wú)源干擾無(wú)源干擾 傳輸特性不良傳輸特性不良 本章重點(diǎn)本章重點(diǎn) 介紹信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽＝榻B信道傳輸特性和噪聲的特性，及其對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?()()()(0tnthtftfi)()()()(0NHFFi通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院一、信道基本概念一、信道基本概念（無(wú)線信道）（無(wú)線信道） 無(wú)線信道電磁波的頻率無(wú)

2、線信道電磁波的頻率 受天線尺寸限制受天線尺寸限制 地球大氣層的結(jié)構(gòu)地球大氣層的結(jié)構(gòu) 對(duì)流層：地面上對(duì)流層：地面上 0 10 km 平流層：約平流層：約10 60 km 電離層：約電離層：約60 400 km 電離層對(duì)于傳播的影響電離層對(duì)于傳播的影響 反反 射射 散散 射射 對(duì)流層對(duì)于傳播的影響對(duì)流層對(duì)于傳播的影響 散散 射射 吸吸 收收地 面對(duì)流層平流層電離層10 km60 km0 km通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院一、信道基本概念一、信道基本概念（無(wú)線信道）（無(wú)線信道）電磁波的分類電磁波的分類： 地波地波 頻率頻率 2 MHz 有有繞射繞射能力能力 距離：數(shù)百或數(shù)千千米距離

3、：數(shù)百或數(shù)千千米 天波天波 頻率：頻率：2 30 MHz 特點(diǎn)：被電離層特點(diǎn)：被電離層反射反射 一次反射距離：一次反射距離： 30 MHz 距離距離: 和天線高度有關(guān)和天線高度有關(guān)式中，式中，D 收發(fā)天線間距離收發(fā)天線間距離(km)。例例 若要求若要求D = 50 km，則，則增大視線傳播距離的其他途徑增大視線傳播距離的其他途徑中繼通信：中繼通信：衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動(dòng)衛(wèi)星衛(wèi)星通信：靜止衛(wèi)星、移動(dòng)衛(wèi)星平流層通信：平流層通信：ddh接收天線發(fā)射天線傳播途徑D地面rr視線傳播視線傳播無(wú)線電中繼無(wú)線電中繼50822DrDhmm505050508222DrDh通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信

4、工程學(xué)院一、信道基本概念一、信道基本概念（無(wú)線信道）（無(wú)線信道）衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)空間信息處理空間信息處理 3S通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院一、信道基本概念一、信道基本概念（無(wú)線信道）（無(wú)線信道） 散射傳播散射傳播 電離層散射電離層散射機(jī)理機(jī)理 由電離層不均勻性由電離層不均勻性頻率頻率 30 60 MHz距離距離 1000 km以上以上 對(duì)流層散射對(duì)流層散射機(jī)理機(jī)理 對(duì)流層不均勻性對(duì)流層不均勻性 （湍流）（湍流）頻率頻率 100 4000 MHz最大距離最大距離 600 km 對(duì)流層散射通信對(duì)流層散射通信地球有效散射區(qū)有效散射區(qū)通信原理課件孫 怡大連理工大

5、學(xué)信息與通信工程學(xué)院一、信道基本概念一、信道基本概念（無(wú)線信道）（無(wú)線信道）流星余跡散射流星余跡散射 流星余跡特點(diǎn)流星余跡特點(diǎn): 高度高度 80 120 km，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度15 40 km存留時(shí)間存留時(shí)間 小于小于1秒至幾分鐘秒至幾分鐘頻率頻率 30 100 MHz距離距離 1000 km以上以上低速存儲(chǔ)、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸?shù)退俅鎯?chǔ)、高速突發(fā)、斷續(xù)傳輸 流星余跡散射通信流星余跡散射通信流星余跡流星余跡通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院一、信道基本概念一、信道基本概念（有線信道）（有線信道）明線明線通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院一、信道基本概念一、信道基本概念（有線

6、信道）（有線信道） 對(duì)稱電纜對(duì)稱電纜：由許多對(duì)雙絞線組成由許多對(duì)雙絞線組成 同軸電纜同軸電纜雙絞線雙絞線導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣層絕緣層導(dǎo)體導(dǎo)體金屬編織網(wǎng)金屬編織網(wǎng)保護(hù)層保護(hù)層實(shí)心介質(zhì)實(shí)心介質(zhì) 同軸線同軸線通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院一、信道基本概念一、信道基本概念（有線信道）（有線信道） 光纖光纖 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 纖芯纖芯 包層包層 按折射率分類按折射率分類 階躍型階躍型 梯度型梯度型 按模式分類按模式分類 多模光纖多模光纖 單模光纖單模光纖折射率n1n2折射率n1n27101 25折射率n1n2單模階躍折射率光纖單模階躍折射率光纖光纖結(jié)構(gòu)示意圖光纖結(jié)構(gòu)示意圖(a)(b)(c)通信原理課件

7、孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院一、信道基本概念一、信道基本概念（有線信道）（有線信道）0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7光波波長(zhǎng)（m）1.55 m1.31 m圖4-12光纖損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系 損耗與波長(zhǎng)關(guān)系損耗與波長(zhǎng)關(guān)系 損耗最小點(diǎn)：損耗最小點(diǎn)：1.31與與1.55 m通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院12二、信道的數(shù)學(xué)模型信道模型的分類：信道模型的分類： 調(diào)制信道調(diào)制信道 編碼信道編碼信道信信息息源源信信源源編編碼碼信信道道譯譯碼碼信信道道編編碼碼信信 道道數(shù)數(shù)字字調(diào)調(diào)制制加加密密數(shù)數(shù)字字解解調(diào)調(diào)解解密密信信源源譯譯碼碼受受信信者者噪噪聲聲源源編碼信道編碼信道調(diào)

8、制信道調(diào)制信道通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院13二、信道的數(shù)學(xué)模型二、信道的數(shù)學(xué)模型調(diào)制信道模型調(diào)制信道模型式中式中 信道輸入端信號(hào)電壓；信道輸入端信號(hào)電壓； 信道輸出端的信號(hào)電壓；信道輸出端的信號(hào)電壓； 噪聲電壓。噪聲電壓。通常假設(shè)：通常假設(shè)：這時(shí)上式變?yōu)椋哼@時(shí)上式變?yōu)椋?信道數(shù)學(xué)模型信道數(shù)學(xué)模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t) 調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型調(diào)制信道數(shù)學(xué)模型)()()(tntefteio)(tei)(teo)(tn)()()(tetktefii)()()()(tntetkteio通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院14二、信道的數(shù)學(xué)模型二、信道的數(shù)

9、學(xué)模型 因因k(t)隨隨t變，故信道稱為時(shí)變信道。變，故信道稱為時(shí)變信道。 因因k(t)與與e i (t)相乘，故稱其為相乘，故稱其為乘性干擾乘性干擾。 因因k(t)作隨機(jī)變化，故又稱信道為作隨機(jī)變化，故又稱信道為隨參信道隨參信道。 若若k(t)變化很慢或很小，則稱信道為變化很慢或很小，則稱信道為恒參信道恒參信道。 乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號(hào)時(shí)，沒有乘性干擾。乘性干擾特點(diǎn)：當(dāng)沒有信號(hào)時(shí)，沒有乘性干擾。)()()()(tntetkteio通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院15二、信道的數(shù)學(xué)模型二、信道的數(shù)學(xué)模型 編碼信道模型編碼信道模型 二進(jìn)制編碼信道簡(jiǎn)單模型二進(jìn)制編碼信道簡(jiǎn)單模型

10、無(wú)記憶信道模型無(wú)記憶信道模型 P(0 / 0)和和P(1 / 1) 正確轉(zhuǎn)移概率正確轉(zhuǎn)移概率 P(1 / 0)和和P(0 / 1) 錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率 P(0 / 0) = 1 P(1 / 0)；P(1 / 1) = 1 P(0 / 1) P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)二進(jìn)制編碼信道模型二進(jìn)制編碼信道模型發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院16三、恒參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懭?、恒參信道特性?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?恒參信道舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道恒參信道舉例：各種有線信道、衛(wèi)星信道 恒參信道恒參信道 非時(shí)變線性網(wǎng)

11、絡(luò)非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò) 信號(hào)通過線性系統(tǒng)的分析方法。信號(hào)通過線性系統(tǒng)的分析方法。 線性系統(tǒng)中無(wú)失真條件：線性系統(tǒng)中無(wú)失真條件： 振幅頻率特性：為水平直線時(shí)無(wú)失真振幅頻率特性：為水平直線時(shí)無(wú)失真 插入損耗頻率特性插入損耗頻率特性左圖為典型電話信道特性左圖為典型電話信道特性通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院17三、恒參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懭?、恒參信道特性?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?相位頻率特性：要求其為通過原點(diǎn)的直線相位頻率特性：要求其為通過原點(diǎn)的直線 即群時(shí)延為常數(shù)時(shí)無(wú)失真即群時(shí)延為常數(shù)時(shí)無(wú)失真群時(shí)延定義：群時(shí)延定義：頻率(kHz) ms時(shí)延時(shí)延 群延遲頻率特性群延遲頻率特性0相位頻率特性相位

12、頻率特性tdd)(通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院18三、恒參信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懭?、恒參信道特性?duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?頻率失真：振幅頻率特性不良引起的頻率失真：振幅頻率特性不良引起的 頻率失真頻率失真 波形畸變波形畸變 碼間串?dāng)_碼間串?dāng)_ 解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償解決辦法：線性網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償 相位失真：相位頻率特性不良引起的相位失真：相位頻率特性不良引起的 對(duì)語(yǔ)音影響不大，對(duì)數(shù)字信號(hào)影響大對(duì)語(yǔ)音影響不大，對(duì)數(shù)字信號(hào)影響大 解決辦法：同上解決辦法：同上 非線性失真：非線性失真： 可能存在于恒參信道中可能存在于恒參信道中 定義：輸入電壓輸出電壓關(guān)系是非線性的定義：輸入電壓輸出電壓關(guān)系是非線

13、性的 其他失真：其他失真： 頻率偏移、相位抖動(dòng)頻率偏移、相位抖動(dòng)非線性關(guān)系直線關(guān)系 非線性特性輸入電壓輸出電壓通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰?、無(wú)線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懏?dāng)傳播的電磁波入射到一個(gè)其尺寸比當(dāng)傳播的電磁波入射到一個(gè)其尺寸比波長(zhǎng)大的多的物體時(shí)。波長(zhǎng)大的多的物體時(shí)。如：地面，建筑物，墻壁如：地面，建筑物，墻壁電磁波被一個(gè)具有明顯不規(guī)則性的表電磁波被一個(gè)具有明顯不規(guī)則性的表面阻塞時(shí)。面阻塞時(shí)。當(dāng)電磁波遇到尺寸小于波長(zhǎng)的障礙物當(dāng)電磁波遇到尺寸小于波長(zhǎng)的障礙物或單位體積的障礙物很多時(shí)?；騿挝惑w積的障礙物很多時(shí)。如：樹葉，路燈桿如：樹葉，路燈

14、桿通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰摹o(wú)線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?電磁波傳播方式的圖示電磁波傳播方式的圖示通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰摹o(wú)線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰ヂ湫盘?hào)的路徑損失，慢衰落，快衰落衰落信號(hào)的路徑損失，慢衰落，快衰落通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰?、無(wú)線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸卜Q自由空間的傳輸損耗，描述的是大尺度也稱自由空間的傳輸損耗，描述的是大尺度區(qū)間區(qū)間( (數(shù)百或數(shù)千米數(shù)百或數(shù)千米) )內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度隨收發(fā)內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)

15、度隨收發(fā)距離變化的特性。距離變化的特性。 是由傳輸環(huán)境中的地形起伏、建筑物及障礙是由傳輸環(huán)境中的地形起伏、建筑物及障礙物對(duì)電磁波的阻擋和遮蔽引起的衰落，它描物對(duì)電磁波的阻擋和遮蔽引起的衰落，它描述的是中等尺度區(qū)間述的是中等尺度區(qū)間( (數(shù)百個(gè)波長(zhǎng)數(shù)百個(gè)波長(zhǎng)) )內(nèi)信號(hào)電內(nèi)信號(hào)電平均值起伏變化的趨勢(shì)。平均值起伏變化的趨勢(shì)。 用于描述短距離用于描述短距離( (幾個(gè)波長(zhǎng)幾個(gè)波長(zhǎng)) )或短時(shí)間或短時(shí)間( (秒級(jí)秒級(jí)) )內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度的快速變化，由無(wú)線信道的內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度的快速變化，由無(wú)線信道的多徑特性引起，故也稱多徑衰落。多徑特性引起，故也稱多徑衰落。 無(wú)線信道衰落分類無(wú)線信道衰落分類通信原理課件孫

16、 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰?、無(wú)線傳輸信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憰r(shí)間選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落空間選擇性衰落空間選擇性衰落頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑ㄋ?、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑〞r(shí)延擴(kuò)展）時(shí)延擴(kuò)展） 多徑導(dǎo)致波形失真多徑導(dǎo)致波形失真 多徑帶來(lái)的頻率選擇性失真多徑帶來(lái)的頻率選擇性失真 根據(jù)傅立葉變換的性質(zhì)得：根據(jù)傅立葉變換的性質(zhì)得： t000000000000-j2f-j2f -j2f-j2fV x t -V Xf eV x t - -V Xf eV x -tV x t - -

17、Xf eVV e000 通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑ㄋ摹o(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑〞r(shí)延擴(kuò)展）時(shí)延擴(kuò)展）兩徑時(shí)的頻率選擇性衰落兩徑時(shí)的頻率選擇性衰落即兩徑傳播時(shí)，信道的傳輸特性即兩徑傳播時(shí)，信道的傳輸特性 為為其幅頻響應(yīng)為其幅頻響應(yīng)為 可以看到在可以看到在 處出現(xiàn)傳播極點(diǎn)，在處出現(xiàn)傳播極點(diǎn)，在 處出現(xiàn)處出現(xiàn)傳輸零點(diǎn)。顯然當(dāng)一個(gè)傳輸波形的頻譜約寬于傳輸零點(diǎn)。顯然當(dāng)一個(gè)傳輸波形的頻譜約寬于 時(shí)傳輸波形將出現(xiàn)畸時(shí)傳輸波形將出現(xiàn)畸變，這種畸變就是由變，這種畸變就是由頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落引起的。引起的。 Hf 0022002201jfjfj

18、fjfXf eVV eHfeVeXf t t t t 20012cos2jfHfVeV tt21/n t2/n t1/t通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院我們用功率時(shí)延譜我們用功率時(shí)延譜 和信道沖擊響應(yīng)沿頻率的自相關(guān)函數(shù)和信道沖擊響應(yīng)沿頻率的自相關(guān)函數(shù) 來(lái)表示信道在時(shí)域和頻域上的相關(guān)性與時(shí)延和頻率差之間的關(guān)系，兩者之來(lái)表示信道在時(shí)域和頻域上的相關(guān)性與時(shí)延和頻率差之間的關(guān)系，兩者之間有如下關(guān)系間有如下關(guān)系我們稱能夠使我們稱能夠使 不為零的最大的時(shí)延不為零的最大的時(shí)延 為為多徑時(shí)延擴(kuò)展多徑時(shí)延擴(kuò)展。而能夠使而能夠使 不為零的最大頻率間隔不為零的最大頻率間隔 稱為稱為相干帶寬相干帶寬。

19、由于多普勒功率譜和自相關(guān)函數(shù)之間是傅里葉變換關(guān)系，所以存在約等由于多普勒功率譜和自相關(guān)函數(shù)之間是傅里葉變換關(guān)系，所以存在約等關(guān)系關(guān)系通過多徑時(shí)延擴(kuò)展和相干帶寬與碼元間隔之間的關(guān)系，我們可以確定通過多徑時(shí)延擴(kuò)展和相干帶寬與碼元間隔之間的關(guān)系，我們可以確定信道是信道是平坦衰落還是頻率選擇性衰落。平坦衰落還是頻率選擇性衰落。四、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剿?、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑〞r(shí)延擴(kuò)展（時(shí)延擴(kuò)展) )( )cAt()CAf2()( )jfCcAfAedttt( )cAt()CAfTtcfB1/cBT通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剿?、無(wú)線信

20、道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑〞r(shí)延擴(kuò)展（時(shí)延擴(kuò)展) )通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剿摹o(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑〞r(shí)延擴(kuò)展（時(shí)延擴(kuò)展) )多多徑徑時(shí)時(shí)延延擴(kuò)擴(kuò)展展頻頻率率選選擇擇性性衰衰落落平平坦坦衰衰落落1. 信信號(hào)號(hào)的的帶帶寬寬時(shí)時(shí)延延擴(kuò)擴(kuò)展展1. 信信號(hào)號(hào)的的帶帶寬寬信信道道相相干干帶帶寬寬2. 符符號(hào)號(hào)周周期期10 ,求不發(fā)生碼間干擾的最大符號(hào)求不發(fā)生碼間干擾的最大符號(hào) 速率？速率？tt通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剿摹o(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑ǘ嗥绽諗U(kuò)展多普勒擴(kuò)展) ) 多普勒頻移多

21、普勒頻移由于移動(dòng)用戶與基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)多徑波都由于移動(dòng)用戶與基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)多徑波都 會(huì)有一個(gè)明顯的頻率移動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)引起的接收信會(huì)有一個(gè)明顯的頻率移動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)引起的接收信 號(hào)頻率的移動(dòng)稱為號(hào)頻率的移動(dòng)稱為多普勒頻移多普勒頻移。 遠(yuǎn)程信號(hào)源遠(yuǎn)程信號(hào)源 ； 信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)頻率；信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)頻率； 接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率；接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率； 移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度與來(lái)波方向夾角移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度與來(lái)波方向夾角 則則其中其中 即為即為多普勒頻移多普勒頻移 。稱稱 的最大值為的最大值為最大多普勒頻移最大多普勒頻移，記為，記為 ，則，則 。 多普勒擴(kuò)展多普勒擴(kuò)展是一種有多普勒頻移現(xiàn)象引起的衰落過程

22、的頻率擴(kuò)散，又稱是一種有多普勒頻移現(xiàn)象引起的衰落過程的頻率擴(kuò)散，又稱時(shí)間選時(shí)間選擇性衰落擇性衰落。ScfRfcosRccDffvff DfmfmfvcosvfD通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剿摹o(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑ǘ嗥绽諗U(kuò)展多普勒擴(kuò)展) )通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剿?、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑ǘ嗥绽諗U(kuò)展多普勒擴(kuò)展) )通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剿摹o(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剑ń嵌葦U(kuò)展角度擴(kuò)展) )通信原理課件孫 怡大連理

23、工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剿?、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰江h(huán)境環(huán)境時(shí)延擴(kuò)展（時(shí)延擴(kuò)展（ ） 角度擴(kuò)展（角度擴(kuò)展（ ） 多普勒擴(kuò)展（多普勒擴(kuò)展（ ）平坦的農(nóng)村平坦的農(nóng)村（宏單元）（宏單元）0.51190城市（宏單元）城市（宏單元）520120丘陵（宏單元）丘陵（宏單元）2030190林蔭路（微單元）林蔭路（微單元）0.312010室內(nèi)（微單元）室內(nèi)（微單元）0.13605sHz例子：蜂窩式通信中的典型擴(kuò)展例子：蜂窩式通信中的典型擴(kuò)展通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院四、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰剿?、無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚鄰?克服無(wú)線信道衰落的方法

24、克服無(wú)線信道衰落的方法 - 分集接收分集接收 頻率分集：頻率間不相關(guān)頻率分集：頻率間不相關(guān) 時(shí)間分集：時(shí)間分集：RAKE接收接收 極化分集：水平極化與垂直極化極化分集：水平極化與垂直極化 空間分集：多輸入多輸出無(wú)線通信系統(tǒng)空間分集：多輸入多輸出無(wú)線通信系統(tǒng)MIMO,智能天線智能天線通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 噪聲噪聲來(lái)來(lái) 源源性性 質(zhì)質(zhì)自然噪聲自然噪聲: 電磁波源，如閃電，大氣中電暴，銀河系噪聲電磁波源，如閃電，大氣中電暴，銀河系噪聲 及其他宇宙噪聲及其他宇宙噪聲人為噪聲：外臺(tái)信號(hào)，開關(guān)，工業(yè)點(diǎn)火輻射人為噪聲：外臺(tái)信號(hào)，開關(guān)，工業(yè)點(diǎn)火輻射隨機(jī)噪聲隨機(jī)噪聲確確 知知 的：諧

25、波干擾等的：諧波干擾等隨隨 機(jī)機(jī) 的：不能預(yù)測(cè)的噪聲的：不能預(yù)測(cè)的噪聲內(nèi)部噪聲：熱噪聲，散彈噪聲內(nèi)部噪聲：熱噪聲，散彈噪聲單頻噪聲：連續(xù)波干擾單頻噪聲：連續(xù)波干擾脈沖噪聲：突發(fā)的短促噪聲脈沖噪聲：突發(fā)的短促噪聲起伏噪聲：在時(shí)域和頻域存在，不可避免的噪聲起伏噪聲：在時(shí)域和頻域存在，不可避免的噪聲起伏噪聲起伏噪聲熱熱 噪噪 聲：從直流到聲：從直流到1013HZ 例子例子散彈噪聲：電子發(fā)射的不均勻性造成，帶寬通常散彈噪聲：電子發(fā)射的不均勻性造成，帶寬通常100MHZ宇宙噪聲：工作頻率低于宇宙噪聲：工作頻率低于300MHZ要考慮要考慮高斯白噪聲高斯白噪聲五、信道中的噪聲五、信道中的噪聲通信原理課件孫

26、怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院五、信道中的噪聲五、信道中的噪聲 熱噪聲電壓有效值熱噪聲電壓有效值 式中式中 k = 1.38 10-23（J/K） 波茲曼常數(shù)波茲曼常數(shù) T 熱力學(xué)溫度（熱力學(xué)溫度（K） R 阻值（阻值（ ） B 帶寬（帶寬（Hz）)V(4kTRBV 噪聲功率譜特性噪聲功率譜特性 Pn(f)()()(2)(000fPdffPfPdffPBnnnnn 窄帶高斯噪聲窄帶高斯噪聲 由于濾波器是一種線性電路，高斯過程通過線性電路后，仍為由于濾波器是一種線性電路，高斯過程通過線性電路后，仍為 一高一高 斯過程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲斯過程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲通信原理課件

27、孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院六、信道容量六、信道容量- 離散信道容量離散信道容量 信道容量信道容量 指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾?。指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省?兩種度量單位兩種度量單位 C 每個(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾得總€(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾?bit/符號(hào)符號(hào)) Ct 單位時(shí)間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘繂挝粫r(shí)間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⒘?bit/s) 離散信道容量的信道模型離散信道容量的信道模型 發(fā)送符號(hào)：發(fā)送符號(hào)：x1，x2，x3，xn 接收符號(hào)：接收符號(hào)： y1，y2，y3，ym P(xi) = 發(fā)送符號(hào)發(fā)送符號(hào)xi 的出現(xiàn)概率的出現(xiàn)概率 ,

28、i 1, P(yj) = 收到收到y(tǒng)j的概率，的概率，j 1,2,m P(yj/xi) = 轉(zhuǎn)移概率，即發(fā)送轉(zhuǎn)移概率，即發(fā)送xi 的條件的條件 下收到下收到 yj 的條件概率的條件概率x1x2x3y3y2y1接收端接收端發(fā)送端發(fā)送端xn。ym 信道模型信道模型P(xi)P(y1/x1)P(ym/x1)P(ym/xn)P(yj)通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院六、信道容量六、信道容量- 離散信道容量離散信道容量有噪信道有噪信道 收到一個(gè)符號(hào)的平均信息量只有收到一個(gè)符號(hào)的平均信息量只有 H(x) H(x/y) 而發(fā)送符號(hào)的信息量原為而發(fā)送符號(hào)的信息量原為H(x),少了的部分少了的部

29、分H(x/y) 就是傳輸錯(cuò)誤率引起的損失。就是傳輸錯(cuò)誤率引起的損失。 ( )H xx1x2x3y3y2y1接收端接收端發(fā)送端發(fā)送端。yn無(wú)噪聲信道模型無(wú)噪聲信道模型P(xi)P(y1/x1)P(yn/xn)P(yj)xn22111( )log( ) ()(/)log(/)nmniijijijijiP xP xP yP xyP xy Yj 已知后，已知后，x 的不確定性的不確定性平均收到一個(gè)符號(hào)時(shí)發(fā)送符號(hào)平均收到一個(gè)符號(hào)時(shí)發(fā)送符號(hào) 的不確定性的不確定性 交交 互互 信信 息息 平均信息量平均信息量 / 符號(hào)符號(hào)( ,)( )(/)I x yH xH xy)/()(max)(yxHxHCxP 無(wú)噪

30、聲信道無(wú)噪聲信道 此時(shí)此時(shí)P(xi /yj) = 0； H(x/y) = 0。從接收一個(gè)符。從接收一個(gè)符號(hào)獲得的平均信息量為號(hào)獲得的平均信息量為 H(x)。再次說明。再次說明 H(x/y)即為因噪聲而損失的平均信息量。即為因噪聲而損失的平均信息量。通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院六、信道容量六、信道容量- 離散信道容量例題離散信道容量例題二進(jìn)制信源的熵在等概分布時(shí)達(dá)到最大二進(jìn)制信源的熵在等概分布時(shí)達(dá)到最大 設(shè)發(fā)送設(shè)發(fā)送“1”的概率的概率P(1) = ，則發(fā)送則發(fā)送“0”的概率的概率P(0) 1 - 當(dāng)當(dāng) 從從0變到變到1時(shí)，信源的熵時(shí)，信源的熵H( )可以寫成：可以寫成： 按照

31、上式畫出的曲線按照上式畫出的曲線： 由此圖可見，當(dāng)由此圖可見，當(dāng) 1/2時(shí)，時(shí)，此信源的熵達(dá)到最大值。此信源的熵達(dá)到最大值。這時(shí)兩個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)概率相等，這時(shí)兩個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)概率相等，其不確定性最大。其不確定性最大。)1 (log)1 (log)(22H二進(jìn)制信源的熵二進(jìn)制信源的熵H( )通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院六、信道容量六、信道容量- 離散信道容量例題離散信道容量例題【例例4.6.1】設(shè)信源由兩種符號(hào)設(shè)信源由兩種符號(hào)“0”和和“1”組成，符號(hào)傳輸速率為組成，符號(hào)傳輸速率為1000 符符 號(hào)號(hào)/秒，且這兩種符號(hào)的出現(xiàn)概率相等秒，且這兩種符號(hào)的出現(xiàn)概率相等, 均等于均等于

32、1/2。信道為。信道為 對(duì)稱信道，其傳輸?shù)姆?hào)錯(cuò)誤概率為對(duì)稱信道，其傳輸?shù)姆?hào)錯(cuò)誤概率為1/128。試畫出此信道。試畫出此信道 模型，并求此信道的容量模型，并求此信道的容量C和和Ct。【解解】 此信道模型畫出如下：此信道模型畫出如下：通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院六、信道容量六、信道容量- 離散信道容量例題離散信道容量例題此信源的平均信息量（熵）等于：此信源的平均信息量（熵）等于： （比特（比特 / 符號(hào)）符號(hào)）而條件信息量可以寫為而條件信息量可以寫為現(xiàn)在現(xiàn)在P (x1 / y1) = P(x2 / y2) = 127/ 128 P(x1 / y2) = P(x2 / y1)

33、 = 1/ 128并且考慮到并且考慮到P(y1) +P(y2) = 1，所以上式可以改寫為，所以上式可以改寫為22211111( )() log()loglog12222niiiH xP xP x )(211111211122121221222222(/)(/)log(/)()(/) log(/)(/) log(/)()(/) log(/)(/) log(/ y ) mnjijijji2H xyP yP xyP xyP yP xyP xyP xyP xyP yP xyP xyP xyP x 通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院六、信道容量六、信道容量- 離散信道容量例題離散信道容量

34、例題平均信息量平均信息量 / 符號(hào)符號(hào)H(x) H(x / y) = 1 0.045 = 0.955 （比特（比特 / 符號(hào)）符號(hào)）因傳輸錯(cuò)誤每個(gè)符號(hào)損失的信息量為因傳輸錯(cuò)誤每個(gè)符號(hào)損失的信息量為H(x / y) = 0.045（比特（比特 / 符號(hào)）符號(hào)）信道的容量信道的容量C等于：等于：信道容量信道容量Ct等于：等于： 2222( / )( /) log( / )( / ) log( / )(127 / 128) log (127 / 128) (1 / 128) log (1 / 128)(127 / 128) 0.01 (1 / 128) ( 7)0.01 0.0550.0451111

35、2121H x yP x yP xyP xyP xy ()max ( )(/) 1000 0.955955/ )tP xCr H xH xyb s ()max( )(/)0.955/P xCH xH xy （）比比特特符符號(hào)號(hào)通信原理課件孫 怡大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院六、信道容量六、信道容量- 連續(xù)信道容量連續(xù)信道容量連續(xù)信道的輸入連續(xù)信道的輸入 X 和輸出和輸出 Y 均是連續(xù)的隨機(jī)過程。信道的交互信息為：均是連續(xù)的隨機(jī)過程。信道的交互信息為：(; )()(/)( )(/)I X YH XH XYH YH YX1( )log( )(/ )log(/ )( )p ydyp xp y xp y x dxdyp yyxn已知輸入信號(hào)已知輸入信號(hào) 與信道噪聲與信道噪聲 是相互獨(dú)立的，信道輸出信號(hào)是輸是相互獨(dú)立的，信道輸出信號(hào)是輸入信號(hào)與噪聲的線性疊加，入信號(hào)與噪聲的線性疊加，( )x t( )n t( )(/) log(/)p xp yxp yx dxdy( , )( ,)( , )( ) ( )p x yp x xnp x np x p n那么( ,)( )(/)p x yp x p y